一種基于催化反應和膜分離級聯的氫同位素高效回收裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及聚變反應堆領域，尤其是氘氚聚變燃料循環領域，具體為一種基于催化反應和膜分離級聯的氫同位素高效回收裝置。
【背景技術】
[0002]當前，隨著化石燃料的短缺和環境污染的日益嚴重，聚變能源逐漸引起了人們的重視。在聚變能源的發展過程中，氘氚燃料循環是必須解決的工程技術問題，也是其實現商業應用的基礎。由于聚變裝置中氖氣的反應率很低，致使大量未反應的氖氣存在于排灰氣中，從安全、環保及經濟角度出發，必須對排灰氣進行處理，回收其中的氘氚燃料，提高氘氚燃料的利用率，避免其對環境的污染。
[0003]聚變反應堆排灰氣中的氘氚主要以Q2 (單質態)、碳氫化合物和水(化合態)的形式存在。其中，Q2是指由氫元素的三種同位素組成的單質，即H2、HD、HT、D2、DT、T2。單質態氘氚的回收相對簡單，采用鈀基膜即可對其進行分離；而化合態氘氚的回收則較為復雜，需要先通過催化反應將其轉化為單質態Q2，再由鈀基膜選擇性分離。由于氚有放射性且價格昂貴，因此，在該分離過程中，對于氫同位素的回收率要求很高(99.9999%以上)，采用普通的途徑很難實現。
[0004]若將催化反應和膜分離進行集成，則可使反應突破平衡轉化率的限制，大大提高反應的轉化率及氫同位素的回收率。目前，催化反應和膜分離的集成主要采用原位集成的方式，即采用膜反應器。
[0005]在工業制氫領域(如甲烷、甲醇裂解制氫、水煤氣變換制氫等領域)，膜反應器已獲得了應用。在氖氣燃料循環系統中，德國Tritium Laboratory of Karlsruhe (TLK)的研究人員采用膜反應器作為聚變堆等離子體排灰氣處理系統的第三單元(稱為“PERMCAT”單元)，其能夠將少量化合態氖氣通過氫同位素交換反應置換并分離出來，提高對氖氣的回收率及去污因子。PERMCAT的基本原理如圖1所示。該單元進行氫同位素交換反應的過程如下:?分子從膜管內側滲透到外側，在催化劑作用下，其與逆流的CQ4、Q2O等發生同位素交換反應，生成的Q2又透過Pd膜，在滲透側被分離回收。
[0006]膜反應器集成模式能夠將產物QJI位分離出反應體系，其不僅可以使化學平衡向生成產物氫的方向進行，又能通過降低流速的方式，延長反應物與催化劑接觸的時間，有利于反應的進一步發生，因而能夠獲得很高的轉化效率。
[0007]然而，膜反應器也存在如下缺點:(I)原料中較多的雜質氣體會與Pd膜接觸，降低其滲氫速率，甚至造成Pd的中毒；(2)反應器入口附近的02濃度較低，滲透驅動力較小，導致鈀基膜分離氫的效率降低；(3)由于甲烷裂解、水汽重整等反應一般在高于鈀基膜最佳使用溫度條件下，才會有較高的反應速率，導致催化反應速率與鈀基膜的使用溫度兩者難以完美兼顧。
[0008]因此，迫切需要一種新的裝置以解決上述問題。【實用新型內容】
[0009]本實用新型的發明目的在于:針對現有的膜反應器進行氫同位素回收時，原料中較多的雜質氣體會使鈀基膜滲氫速率及分離效率降低，其最佳使用溫度難以與催化反應速率兼顧的問題，提供一種基于催化反應和膜分離級聯的氫同位素高效回收裝置。本實用新型采用催化反應與膜分離非原位集成的模式，能夠有效提高鈀膜的利用率，降低雜質氣體對鈀膜的毒化作用，延長鈀膜的使用壽命，同時能夠有效提高氫同位素的回收率。此外，本實用新型還能形成閉路循環，可獲得較高的氫同位素回收效率。本實用新型設計合理，適應性強，能夠滿足氫同位素的回收需求，具有較高的回收率，對于實現聚變反應堆氘氚燃料循環、提高反應堆的經濟性和安全性，具有重要的意義。
[0010]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0011]—種基于催化反應和膜分離級聯的氫同位素高效回收裝置，包括原料氣、用于催化反應的固定床反應器、鈀膜氫氣分離裝置、第一儲氣罐、第二儲氣罐、第一增壓器，所述原料氣通過管道與固定床反應器相連，所述固定床反應器、第一儲氣罐、第一增壓器、第二儲氣罐、鈀膜氫氣分離裝置通過管道依次相連，所述第二儲氣罐與鈀膜氫氣分離裝置相連的管道上設置有流量調節閥。
[0012]所述固定床反應器的反應產物能通過管道進入第一儲氣罐中，所述第一儲氣罐內的反應產物能經第一增壓器增壓后進入第二儲氣罐中，所述第二儲氣罐內的反應產物能進入鈀膜氫氣分離裝置中進行分離。
[0013]還包括用于監測氫氣含量的氫氣泄漏報警裝置。
[0014]還包括壓力計，所述壓力計分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連，所述壓力計能分別顯示第一儲氣罐、第二儲氣罐內的壓力。
[0015]還包括壓力報警裝置，所述壓力報警裝置分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連。
[0016]還包括排壓裝置、與排壓裝置相連的控制系統，所述排壓裝置分別設置在第一儲氣罐、第二儲氣罐上，所述排壓裝置能在第一儲氣罐、第二儲氣罐的壓力超過設定值時排氣。
[0017]所述原料氣與固定床反應器相連的管道上分別設置有減壓閥、截止閥。
[0018]還包括第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器，所述鈀膜氫氣分離裝置、第三儲氣罐、第二增壓器、第四儲氣罐、固定床反應器通過管道依次相連。
[0019]所述第三儲氣罐和第四儲氣罐上均分別設置有壓力計、排壓裝置。
[0020]所述第四儲氣罐與固定床反應器相連的管道上分別設置有減壓閥、截止閥。
[0021]針對前述問題，本實用新型提供一種基于催化反應和膜分離級聯的氫同位素高效回收裝置。該裝置包括原料氣、用于催化反應的固定床反應器、鈀膜氫氣分離裝置、第一儲氣罐、第二儲氣罐、第一增壓器，原料氣通過管道與固定床反應器相連，從而使固定床反應器的反應產物能通過管道進入第一儲氣罐中；固定床反應器、第一儲氣罐、第一增壓器、第二儲氣罐、鈀膜氫氣分離裝置通過管道依次相連，使第一儲氣罐內的反應產物能經第一增壓器增壓后進入第二儲氣罐中，第二儲氣罐內的反應產物能進入鈀膜氫氣分離裝置中進行分離；第二儲氣罐與鈀膜氫氣分離裝置相連的管道上設置有流量調節閥，通過流量調節閥能夠調節進入鈀膜氫氣分離裝置的氣體流量進行調節。
[0022]本實用新型中，固定床反應器為催化反應的場所，能夠為甲烷裂解、水汽重整、氫同位素交換等反應提供合適的溫度、壓力、催化劑等條件，從而將化合態氫同位素轉化為單質態。鈀膜氫氣分離裝置則能夠將單質態氫同位素與其它雜質氣體分離，獲得高純的氫同位素單質(滲透氣)。
[0023]進一步，還包括氫氣泄漏報警裝置，通過該裝置能夠實時監測系統周圍的氫氣含量，確保系統的安全性。還包括壓力報警裝置，壓力報警裝置分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連，通過壓力報警裝置能夠監測儲氣罐內的氣體壓力。還包括排壓裝置、與排壓裝置相連的控制系統，當壓力高于0.7MPa時，發出聲光報警，并及時排出罐內氣體，避免超壓情況的發生。
[0024]進一步，還包括第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器，鈀膜氫氣分離裝置、第三儲氣罐、第二增壓器、第四儲氣罐、固定床反應器通過管道依次相連。
[0025]為了在高效回收氫同位素的同時，提高鈀膜的利用率，降低雜質氣體對鈀膜的毒化作用，本實用新型采用將固定床反應器與鈀膜氫氣分離裝置的非原位集成，即催化反應與膜分離級聯，先將甲烷裂解、水汽重整等催化反應的反應產物引入Pd/Ag膜分離器(即鈀膜氫氣分離裝置)，分離回收其中的單質態氫同位素，以促進正反應的進行，提高化合態氫同位素的轉化率。同時，鈀膜氫氣分離裝置的尾氣中若仍有較高含量的氫同位素，還可經第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器組成的回收系統，將尾氣返回到固定床反應器中再次反應，如此形成閉路循環，可獲得較高的氫同位素回收效率。
[0026]本實用新型中，原料中的碳氫化合物、水等雜質經催化反應后，大多數被轉化為Q2,得到反應產物，反應產物進入第一儲氣罐中，再將第一儲氣罐的反應產物通過第一增壓器進行增壓，增壓后的反應產物通入鈀膜氫氣分離裝置進行分離。采用本實用新型在實現催化反應與膜分離級聯的同時，能夠將鈀膜氫氣分離裝置接觸到